我們的大腦皮層，一片神經(jīng)元，連接和回路，包括“古老”區(qū)域，如海馬和“新”區(qū)域，如六層“新皮層”，僅在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，最突出的是人類。但是在進(jìn)化過(guò)程中，大腦皮層的成分是否會(huì)出現(xiàn)，它們是如何進(jìn)化的?美因河畔法蘭克福馬克斯普朗克腦研究所的科學(xué)家們研究了海龜和蜥蜴皮層神經(jīng)元中的基因表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)了與哺乳動(dòng)物皮層意想不到的相似和不同之處。這些結(jié)果是重建脊椎動(dòng)物大腦進(jìn)化的里程碑。

在很多方面，我們是大腦皮層。它的電路有助于塑造我們對(duì)世界的感知，存儲(chǔ)我們的記憶并規(guī)劃我們的行為。一個(gè)大腦皮質(zhì)，其典型的層狀組織，只有在哺乳動(dòng)物，包括人類和非禽類爬行動(dòng)物如蜥蜴和烏龜發(fā)現(xiàn)。哺乳動(dòng)物，爬行動(dòng)物和鳥類起源于大約3.2億年前的共同祖先。神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)祖先有一個(gè)三層的小皮層，因?yàn)榻裉煸诓溉閯?dòng)物的海馬和現(xiàn)代爬行動(dòng)物的所有皮質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)：這些三層皮質(zhì)可能與它們共同的祖先皮層相對(duì)應(yīng)。

通過(guò)比較當(dāng)今爬行動(dòng)物的皮質(zhì)與當(dāng)今哺乳動(dòng)物的新舊皮質(zhì)(如海馬體和新皮層)，我們可以尋找相似性，潛在的祖先性狀和差異 - 由它們的獨(dú)立進(jìn)化產(chǎn)生 - 從而重建主要皮層進(jìn)化的特征。到目前為止，比較基于發(fā)育和解剖學(xué)特征。這項(xiàng)基于單個(gè)爬行動(dòng)物神經(jīng)元分子特征的新研究提供了前所未有的數(shù)據(jù)，有助于重建皮層進(jìn)化。

幾十年來(lái)，爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物大腦之間的解剖學(xué)差異引發(fā)了許多關(guān)于皮層進(jìn)化的爭(zhēng)議。人們爭(zhēng)論爬行動(dòng)物大腦的這一部分是否與哺乳動(dòng)物大腦的那部分相對(duì)應(yīng)，或者哺乳動(dòng)物新皮層中發(fā)現(xiàn)的許多層是否也存在于爬行動(dòng)物中，但其形式是傳統(tǒng)方法無(wú)法檢測(cè)到的。Gilles Laurent和他在Max Planck腦研究所的研究小組采用了不同的方法，專注于構(gòu)成皮質(zhì)回路的無(wú)數(shù)神經(jīng)元類型的分子表征。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

神經(jīng)元“類型”尤其因其形態(tài)，神經(jīng)遞質(zhì)，連接和功能特性而不同。這些特征都源于不同基因組的表達(dá);因此，可以通過(guò)測(cè)量它們含有的信使RNA分子(它們的“轉(zhuǎn)錄組”)對(duì)各個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行分類(或分型)。本研究的第一作者M(jìn)aria Antonietta Tosches及其同事使用專門的微流體平臺(tái)，在微觀水滴中逐一捕獲龜和蜥蜴細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。

利用這些基因表達(dá)譜，科學(xué)家們可以對(duì)數(shù)千個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行分類。從每種類型，他們可以識(shí)別診斷標(biāo)記基因，并使用它們來(lái)評(píng)估大腦中細(xì)胞類型的位置。想象一下皮質(zhì)的圖片，直到那時(shí)均勻，突然變成彩色區(qū)域的拼貼畫，每個(gè)區(qū)域包含一個(gè)或幾個(gè)特征細(xì)胞類型。

作者現(xiàn)在可以直接比較爬行動(dòng)物的分子圖譜與哺乳動(dòng)物大腦的分子圖譜，找到一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，甚至可以得出關(guān)于其3.2億年前(現(xiàn)已滅絕)共同祖先大腦的假設(shè)。

被迫折疊

“我們的研究結(jié)果極大地闡明了我們對(duì)爬行動(dòng)物大腦的理解，從而也解釋了大腦進(jìn)化的理解，”托切斯說(shuō)。例如，這些新的分子圖顯示，爬行動(dòng)物具有與哺乳動(dòng)物海馬體中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元類型相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元類型，涉及空間定向和記憶形成的結(jié)構(gòu)。在爬行動(dòng)物中，海馬被發(fā)現(xiàn)朝向大腦的中心，但與其折疊的哺乳動(dòng)物對(duì)應(yīng)物不同，它看起來(lái)像一張紙。“就像在早期的哺乳動(dòng)物中，祖先的海馬體被一個(gè)日益占主導(dǎo)地位的新皮層推動(dòng)并被迫折疊自身，以獲得其標(biāo)志性的哺乳動(dòng)物結(jié)構(gòu)，”洛朗補(bǔ)充說(shuō)。

相比之下，非海馬爬行動(dòng)物皮層揭示了哺乳動(dòng)物新皮質(zhì)的復(fù)雜歷史。例如，抑制性神經(jīng)元在爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物中表達(dá)相似的基因組，表明共同的祖先。然而，興奮性神經(jīng)元在這兩組中存在顯著差異。“哺乳動(dòng)物的六層新皮層是一種迷人的古代和新型神經(jīng)元類型的鑲嵌圖，”Tosches說(shuō)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在可以指出哺乳動(dòng)物新皮質(zhì)的真正新穎性，即在基因表達(dá)程序發(fā)生深刻變化后出現(xiàn)新型興奮性神經(jīng)元。

這項(xiàng)研究開辟了許多新問(wèn)題。古代神經(jīng)元類型在爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物皮層回路中具有相同的功能嗎?這些分子的相似性和差異可以告訴我們大腦功能和動(dòng)物行為的演變嗎?“從這些新的分子圖中探索還有很多東西，”洛朗說(shuō)：“這只是一個(gè)開始。”